基于Simulink的海底捷联惯性导航系统数学仿真

该文提出海底用捷联惯性导航系统导航的设计方案。在分析了捷联惯性导航系统的工作原理的基础上,用Matlab/Simulink建立导航系统仿真模型,并进行了仿真研究。仿真模型的输出信号为载体的经度,纬度和高度,可以直接用来显示在外部计算机上或驱动误差修正模型。该方法充分利用了Simulink的优点,实现了高度可视化的仿真实验,也为捷联惯性导航系统的仿真提供了新的实现途径。该方法不但适用于系统的全数学仿真,而且可以推广到半实物仿真实验,有着很大的工程实用价值和推广意义。

基于改进高斯和粒子滤波的海底地形辅助导航

为了提升低分辨率海底地形图下的导航定位精度,提出一种基于改进高斯和粒子滤波的海底地形辅助导航方法。以高斯和粒子滤波为基础,通过高斯过程回归建立海底地形模型以获得有效粒子观测值。在量测更新阶段引入最小均方误差约束从而提升高斯和粒子滤波的估计效率,再进行滤波并最终获得导航输出。该方法能够解决低分辨率海图下数字地形模型不准确问题并提升高斯和粒子滤波在实时计算过程中的运算效率。在某低分辨率海图下进行仿真实验,结果表明:所提出的算法与采用基本粒子滤波和基本高斯和粒子滤波的海底地形辅助导航方法相比,导航定位精度提升了20%~40%,算法耗时降低了30%~40%。

粒子群优化算法在海底地形导航中的应用

通过研究将连续粒子群优化算法离散化,提出二进制离散粒子群优化算法。在海底地形导航的非线性、实时性、精准性的情况下,利用2个子群的协同进化来降低陷入局部最优的风险,有效提高收敛速度。最后通过与传统的地形轮廓匹配算法进行对比,说明本文算法在经纬度误差和最佳匹配点定位方面更具优越性。

UUV海底地形匹配导航的适配性高效分析方法

海底地形匹配导航(terrain aided navigation, TAN)无需卫星或水声等精确定位手段辅助,可实现无人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)水下长期、隐蔽、精确导航。但TAN系统易在地形特征不明显区域出现匹配失效问题,通过地形特征量化分析获取地形适配性从而进行路径规划,是保障TAN系统可靠性的前提。本文针对现有地形适配性统计学变量耦合关系复杂、综合分析权重选取困难等问题,提出地形适配性的神经网络分析方法。基于历史海测子地图,通过蒙特卡罗迭代生成训练集;构建面向TAN系统地形匹配的PointNetKL网络模型,实现子地图适配性的准确、高效判断。最终,结合模板匹配算法对判断结果进行评估。本算法有效性和计算效率已通过海试数据回放试验验证。

基于Hausdorff距离的海底地形匹配算法仿真研究

地形匹配算法是海底地形辅助导航系统的关键技术之一。根据海底地形的特殊特性,传统地形匹配算法直接应用于STAN时,易出现定位精度大幅降低和算法不稳定性问题。该文提出一种基于地形轮廓匹配原理的新算法,该算法利用改进的Hausdorff距离作为水深实时测量曲线与海底地形图水深曲线之间的度量函数。改进的Hausdorff距离对匹配对象存在的小误差不敏感,在一定程度上还可反映空间两条曲线的方位关系,该算法定位精度高、稳定性好。利用某海域地形图进行的仿真实验表明:该算法是可行的,定位精度比现有算法提高一倍左右。

考虑信标运动的水下联合定位算法

为融合全球导航卫星系统/声学测量与海底信标之间声学测量优势,同时考虑导航信标因海底洋流等因素而引起的运动,本文提出考虑信标运动的水下联合定位算法,并采用3000 m水深海域的实测数据进行试验计算。试验结果表明:联合定位估计的声速模型与声速测量值之间的差异小于0.15 m/s;与全球导航卫星系统/声学定位相比较,联合定位获得的海底导航信标运动轨迹具有更高的精度,全球导航卫星系统/声学定位及联合定位的基线残差统计值分别为-0.302±0.740 m、0.007±0.169 m;试验区海底导航信标水平运动幅度可达3 m,周期性运动模型可以较好地描述试验区海底导航信标的运动轨迹。

GNSS‑声学海底定位的声速误差处理方法综述

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)⁃声学海底定位是面向海底俯冲带板块形变监测需求提出的一种定位技术,也是建设海洋时空基准网的一种重要技术,有着广阔的应用前景。虽然目前GNSS⁃声学海底定位技术的研究成果还不能满足海洋时空基准网的建设需求,但其数据处理方法尤其是声速误差精细处理方法,对海洋时空基准网海底部分(海底大地基准)的建设具有重要借鉴意义。介绍了GNSS⁃声学海底定位技术的起源,并将其分为静态测量和动态测量两类,同时将声速误差处理方法作为该技术的发展脉络进行梳理,提炼了该技术的3个发展阶段:仅假设海洋声速垂向分层、考虑声速的时域变化、考虑声速的水平梯度。对于仅假设海洋声速垂向分层的阶段,国外学者采用几何结构对称的方式来削弱声速误差的影响;国内学者则主要对声速以外误差源(杆臂矢量误差、时标偏差、姿态角误差等)进行了研究,并用优化随机模型的方式削弱系统误差对定位的影响。对于考虑声速时域变化的阶段,国外学者利用拟合方法(多项式拟合或三次样条拟合)结合参数平滑约束来解算声速的时域变化量,提高定位的稳定性;国内学者基于此细化了参数拟合的方法(考虑参数长周期项的变化特征),并创新性地提出了水下差分定位算法。对于考虑声速水平梯度的阶段,国内外学者在GNSS⁃声学海底定位中解算了声速水平梯度参数,提高了水平方向定位的稳定性,并利用海洋数值模型验证了结果的可靠性。展望了将GNSS⁃声学海底定位高精度数据处理方法应用于海底大地基准建设的前景,并引入了小时空尺度声速层析的概念(基于海洋时空基准网的声速误差处理方法),以期解决数值预报模型不能提供小时空尺度产品的问题,进而为水下潜器提供更高精度的声速误差改正服务。